物联网的关键技术及特点原稿.docx
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物联网的关键技术及特点原稿
山东传媒职业学院
毕业论文
论文题目物联网的关键技术及特点
指导教师/职称刘英霞老师/高级讲师
作者姓名彭宇
年级/专业08级02班/有线电视工程技术专业
山东传媒职业学院
2011年05月18日
目录
物联网的关键技术及特点3
一切皆可感知3
1.物联网的简介3
1.1物联网定义3
1.2物联网的体系结构4
2.物联网发展历程5
2.1物联网在国外的发展状况6
2.2物联网在我国的发展状况6
3.相关的技术和平台7
3.1射频识别（RFID）7
3.1.1什么是RFID技术7
3.1.2RFID的分类7
3.1.3RFID的组成部分7
3.1.4RFID的工作原理7
3.2红外感应器8
3.3全球定位系统（GPS）8
3.4激光扫描器8
3.5EPC9
3.6因特网技术9
3.7实体标记语言（PML）开发技术9
3.8传感器网络技术9
3.9嵌入式技术9
3.10信息安全技术10
4.WSN（无线传感器网络）10
4.1.1 WSN定义10
4.1.2 无线传感器网络的体系结构11
谢词11
参考文献11
物联网的关键技术及特点
一切皆可感知
有线电视工程技术专业08级02班指导教师：
刘英霞
内容提要:
物联网前景非常广阔，它将极大地改变我们目前的生活方式。
物联网把我们的生活拟人化了，万物成了人的同类。
在这个物物相联的世界中，物品能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。
物联网利用射频自动识别（ＲＦＩＤ）技术，通过计算机互联网实现物品（商品）的自动识别和信息的互联与共享。
可以说，物联网描绘的是充满智能化的世界。
关键词:
物联网;M2M;RFID;信息交换;智能识别
Thekeytechnologyandthingsnetworkingfeatures
Everythingisperceived
CableTVinprofessionalofengineeringandtechnicallevel022008
tutor:
LiuYingXiaclass
Abstract:
contentnetworking,itwillbeverybroadprospectgreatlychangedourcurrentlifestyle.Ourlifethingnetworkinghumanoid,everythingbecameoneofthesamekind.Inthisthingtheworld,associatedcontentitems"exchange"toeachother,withouthumanintervention.Contentnetworkingusingrfautomaticidentification（RFID）technology,throughthecomputerInternetrealizearticles）automaticidentificationandtheInternetandsharinginformation.Cansay,thethingnetworkingisadescriptionoftheworldfullofintelligence.
Keywords:
contentnetworking;M2M;RFID;Informationexchange;Intelligentidentification
1.物联网的简介
1.1物联网定义
物联网的英文名称为"TheInternetofThings”。
由该名称可见，物联网就是“物物相连的互联网”。
这有两层意思：
第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。
因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，如图1-1所示。
图1-1未来物联网
从技术上理解，物联网是指物体通过智能感应装置，经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络。
从应用上理解，物联网是指把世界上所有的物体都连接到一个网络中，形成“物联网”，然后“物联网”又与先有的互联网结合，实现人类社会与物理系统的整合，达到更加精细和生动的方式管理生产和生活。
这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围：
1、要有相应信息的接收器；2、要有数据传输通路；3、要有一定的存储功能；4、要有CPU；5、要有操作系统；6、要有专门的应用程序；7、要有数据发送器；8、遵循物联网的通信协议；9、在世界网络中有可被识别的唯一编号。
1.2物联网的体系结构
物联网应该具备三个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地的获取物体的信息;二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。
在业界，物联网大致被公认为有三个层次如图1-2所示，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层，最上面则是内容应用层。
图1-2物联网的三个层次
a.感知层
进行数据采集与感知，主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。
物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。
传感器网络组网和协同信息处理技术实现传感器、RFID等数据采集技术所获取数据的短距离传输、自组织组网以及多个传感器对数据的协同信息处理过程。
b.网络层
实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。
经过十余年的快速发展，移动通信、互联网等技术已比较成熟，基本能够满足物联网数据传输的需要。
c.应用层
应用层主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层。
其中应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能。
应用服务子层包括智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力等行业应用。
2.物联网发展历程
1995年，比尔盖茨在其《未来之路》一书中已提及物联网概念。
2005年11月，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：
物联网》报告，正式提出了物联网概念。
并对物联网概念进行了准确定义：
一种基于标准和可互操作通信协议、具有自配置能力的动态全球网络基础设施。
在这个网络里，物理世界和虚拟世界的“物”具有身份、物理属性和虚拟个性，通过智能接口无缝地集成到信息网络之中。
2009年1月，IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”，其中物联网不可或缺，而奥巴马在就职演讲后对“智慧地球”构想积极回应，并将其作为美国的重要国家战略之一。
2009年中国国家主席胡锦涛、国务院总理温家宝等领导在不同场合多次强调要依靠科技创新，引领经济发展;要注重经济结构调整和发展模式转变，重视新兴产业的发展等问题;明确提出了“感知中国”的理念，自此“物联网”提到国家议事日程。
2.1物联网在国外的发展状况
美国：
在“2025年对美国利益潜在影响最大的关键技术中”，物联网被列入六大关键之一。
“智能电网”投资110亿美元;卫生医疗信息技术应用投190亿美元;与物联网相关的“智慧地球”、“智能微尘”等项目提升了创新能力。
日本：
提出“U社会”战略，制定了从E-Japan、U-Japan到I-Japan战略目标。
2009年3月提出“数字日本创新计划”;2009年7月提出“I-Japan战略2015”，其中交通、医疗、智能家居、环境监测和物联网是重点。
韩国：
2004年提出“U-Korea战略”，为期10年;2006年推出的U-IT839，建宽带网、IPV6网、泛在传感网、发展RFID/USN等8项业务，并在食品/药品、航空行李、军火管理、道路设施应用试点。
2009年6月开始物/物/人实现智能通信、建设智能福利娱乐城。
欧盟：
推动ICT在欧盟经济、社会、生活各领域的应用，提高综合竞争力，在RFID/物联网方面进行了大量研究，大力推RFID应用，着力解决安全和隐私、国际治理、无线频率和标准等问题。
2009年6月推出《欧盟物联网行动计划报告》14项行动计划，力夺主导地位;2009年10月推出“物联网战略研究路线图”，力推物联网在航空航天、汽车、医疗、能源等18个主要领域应用，明确12项关键技术，首推智能汽车和智能建筑。
2.2物联网在我国的发展状况
我国早在20世纪90年代，就开始了物联网产业的相关研究和应用试点的探索，国家金卡工程非接触式智能卡已广泛用于不停车收费，路桥管理，铁路机车识别管理，以及电子证照身份识别等方面，开展了成功试点和规模应用。
特别是电信智能卡整合了电子钱包功能推出的移动支付应用，以及手机做为RFID的读写器开展的食品，药品安全管理与贵重物品的识别防伪等，以及遍布30个试点城市的“一卡通”工程应用，形成了一系列利民惠民工程，推动了社会信息化进程，并取得了明显成效。
在此基础上于2004年就启动了物联网的重要应用——无线射频识别RFID的行业应用试点工作。
主要涉及农业领域的生猪的饲养及食品加工的实时动态，可追溯的管理;工业领域的煤矿安全生产，对矿工的安全监护;工业生产的托盘管理;药品及烟酒的动态可追溯监管;物流领域的邮政包裹、民航行李、铁路货车调度监管等、远洋运输集装箱等;军用物资供给、军械及电子票动态管理等;在城市交通、公路、水运等交通管理以及涉车涉驾的智能交通综合应用等RFID应用初见成效，市场规模已居全球第三位。
2008年的北京奥运会和2010年的上海世博会上，基于物联网的应用得到了很大的发展，从门票、安保、物品运输管理到食品安全、公交管理、环境管理等多个方面都有相应的物联网应用。
3.相关的技术和平台
物联网技术的定义是：
通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光
扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术叫做物联网技术。
关键技术：
射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备、EPC技术、因特网技术、实体标记语言开发技术、传感器网络技术、嵌入式技术、信息安全技术。
3.1射频识别（RFID）
3.1.1什么是RFID技术
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。
RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。
RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。
系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成。
3.1.2RFID的分类
RFID按应用频率的不同分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）、微波（MW），相对应的代表性频率分别为：
低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M~960MHz、微波2.4G，5.8G。
RFID按照能源的供给方式分为无源RFID，有源RFID，以及半有源RFID。
无源RFID读写距离近，价格低；有源RFID可以提供更远的读写距离，但是需要电池供电，成本要更高一些，适用于远距离读写的应用场合。
3.1.3RFID的组成部分
标签（Tag）：
由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；
阅读器（Reader）：
读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；
天线（Antenna）：
在标签和读取器间传递射频信号。
3.1.4RFID的工作原理
RFID技术的基本工作原理并不复杂：
标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
一套完整的RFID系统,是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部分所组成,其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder,用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据,送给应用程序做相应的处理。
以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成,感应偶合（InductiveCoupling）及后向散射偶合（BackscatterCoupling）两种,一般低频的RFID大都采用第一种式,而较高频大多采用第二种方式。
阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。
阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。
阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。
在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。
应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。
3.2红外感应器
红外感应器是接收信号或刺激并反应的器件，能将待测物理量或化学量转换成另一对应输出的装置。
用于自动化控制、安防设备。
3.3全球定位系统（GPS）
空间部分：
GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成,它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗）,轨道倾角为55°。
此外,还有4颗有源备份卫星在轨运行。
卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。
用户设备部分：
用户设备部分即GPS信号接收机。
其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。
当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。
根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。
GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。
接收机一般采用机内和机外两种直流电源。
设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。
在用机外电源时机内电池自动充电。
关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。
目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。
地面控制系统由监测站（MonitorStation）、主控制站（MasterMonitorStation）、地面天线（GroundAntenna）所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市（ColoradoSpring）。
地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。
其次则为使用者接收器,现有单频与双频两种,但由于价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器。
3.4激光扫描器
激光扫描器是一种远距离条码阅读设备，其性能优越，因而被广泛应用。
激光扫描器的扫描方式有单线扫描、光栅式扫描和全角度扫描三种方式。
激光手持式扫描器属单线扫描，其景深较大，扫描首读率和精度较高，扫描宽度不受设备开口宽度限制；卧式激光扫描器为全角扫描器，其操作方便，操作者可双手对物品进行操作，只要条码符号面向扫描器，不管其方向如何，均能实现自动扫描，超级市场大都采用这种设备相关的技术和平台的具体介绍有待完善和发展。
3.5EPC
EPC的全称是ElectronicProductCode，中文称为产品电子代码。
EPC的载体是RFID电子标签，并借助互联网来实现信息的传递。
EPC旨在为每一件单品建立全球的、开放的标识标准，实现全球范围内对单件产品的跟踪与追溯，从而有效提高供应链管理水平、降低物流成本。
EPC是一个完整的、复杂的、综合的系统。
EPC标签从本质上来说是一个电子标签，通过射频识别系统的电子标签读写器可以实现对EPC标签信息的读取。
读写器获取的EPC标签信息，并把标签信息送入互联网EPC体系中PML（PhysicalMark_UpLanguage,实体标记语言）服务器后，就实现了对物品信息的采用和追踪。
然后利用EPC体系中的网络中间件等，可实现对所采集的EPC标签信息的利用。
3.6因特网技术
物联网是在现有计算机互联网的基础上,利用技术实现对物品的电子标识,然后再利用无线通信等技术接入互联网,构造一个覆盖世界上万事万物的网络,并实现网络中物品与物品或人与物品之间的“交流”。
因此,因特网技术是物联网的技术基础,或者说,物联网是因特网技术在应用范围上的一个由人及物的拓展,因特网主要解决物联网中传感器节点感知信息的传输与共享问题。
3.7实体标记语言（PML）开发技术
实体标记语言（physicalmarkuplanguage，PML）是基于为人们广为接受的可扩展标识语言发展而来的。
提供了一个描述自然物体、过程和环境的标准,并可供工业和商业中的软件开发、数据存储和分析工具之用。
它将提供一种动态的环境,使与物体相关的静态的、暂时的、动态的和统计加工过的数据可以互相交换。
物联网中任何单品的有用信息的描述都可以用实体标记语言这种新型的标准计算机语言书写,它将会成为描述所有自然物体、过程和环境的统一标准而得到非常广泛的应用。
3.8传感器网络技术
传感器网络是物联网的核心,主要解决物联网中的信息感知问题。
物品总是在流动中体现它的价值或使用价值的,如果要对物品的运动状态进行实时感知,就需要用到传感器网络技术.传感器网络通过散布在特定区域的成千上万的传感器节点,构建了一个具有信息收集、传输和处理功能的复杂网络,通过动态自组织方式协同感知并采集网络覆盖区域内被查询对象或事件的信息,用于跟踪、监控和决策支持等,“自组织”、“微型化”和“对外部世界具有感知能力”是传感器网络的突出特点。
这里需要注意的是,传感网只是物联网感知、获取信息的一种重要的技术手段,不是物联网所涉及技术的全部,不能因为传感网在物联网中的核心地位,或者从局部利益或个人目的角度出发将物联网等同于传感器网络。
3.9嵌入式技术
嵌入式技术是将计算机技术、自动控制技术、通讯技术等多项技术综合起来与传统制造业相结合的技术,是针对某一个行业或应用开发出的智能化机电产品,所实现的产品具有故障诊断、自动报警、本地监控或远程监控等功能,能够实现管理的网络化、数字化和信息化。
“物联网”使物品具有了“信息生命”,将物理基础设施和信息基础设施有机地融为一个整体,使囊括其中的每一件物品都“活”了起来,具有“智慧”,能够主动或被动地与所属的网络进行信息交换,从而更好地服务于人们的生产与生活,这其中离不开嵌入式技术的广泛应用。
正是与嵌入式技术的结合,才使得对物品的标识以及传感器网络等的正常和低成本工作成为可能,即把感应器或传感器嵌入和装备到如电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、大坝、油气管道、供水系统等各种物体中,形成物与物之间能够进行信息交换的“物联网”,并与现有的互联网整合起来,从而实现人类社会与物理系统的整合,让所有的物品都能够远程感知和控制,形成一个更加智慧的生产生活体系。
3.10信息安全技术
物联网本质上是通信技术的应用,是物品的信息化,其目标是方便人与物或物与物的信息交换,同时这里也离不开信息安全技术的应用。
无论物联网应用背景本身是否是安全敏感的如机场防入侵系统或某地的环境监测系统,在构建这个物联网应用系统时一定要有信息安全的设计,“没有安全就没有应用,没有应用就没有发展”,这是信息系统的宿命,对于应用无线通信的系统尤其如此否则,所构建的物联网系统一旦遭到信息安全攻击,不仅所获得的数据或信息没有意义,而且可能有害,甚至导致系统的崩溃或瘫痪。
物联网的信息安全技术主要涉及到入侵检测、信息加密、恶意节点识别与剔除等.
4.WSN（无线传感器网络）
4.1.1 WSN定义
图4-1WSN网络
如图4-1所示随着微机电系统（Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS）、片上系统（SOC，SystemonChip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。
无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。
4.1.2 无线传感器网络的体系结构
无线传感器网络的系统构架如下图4-2所示，通常包括传感器节点（sensornode）、汇聚节点（sinknode）和管理节点，即无线传感器网络的三个要素是传感器、感知对象和观察者。
图4-2无线传感器网络的体系结构
在无线传感器网络的工作过程中，大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织的方式构成网络。
传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳的进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。
用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
谢词:
衷心心感谢我的导师刘英霞老师对我的指导和谆谆教诲!
论文从选题到成文自始至终受到导师的热情关心和精心指导，正是在导师的严格要求和悉心指导下，使我顺利完成课题设计及论文的撰写。
导师高度的责任心、严谨的治学态度、渊博的知识、敏锐的洞察力、平易近人的崇高品德和认真负责的工作作风，对我产生了深深的影响，使我受益匪浅，将不断指导我今后的学习和工作。
在此，对导师致以崇高的敬意和衷心的感谢!
感谢同宿舍的各位同学，三年来宿舍和睦、融洽的气氛给我留下了美好的回忆，并促进了我的学习热情。
感谢含辛茹苦的父母亲的无限养育之情，他们在生活上和精神上给予了我极大的支持和最无私的关怀，使我在学业和工作上得到了不断鼓舞和鞭策!
最后向参加论文审阅的所有专家、教授、老师致以衷心的感谢!
参考文献:
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